Study on constructed Wetland for Water Quality Improvement of Rainwater in Urban Area
SHEN Huan1，PAN Yong-bao2，HU Hong-ying1 Abstract：Pollutants removal for improving water quality of rainwater in urban area using subsurface constructed wetland was studied. The experimental results showed that the removal rates of TP, TN and turbidity were 20~50%, 30~55% and 80~95%, respectively, under the operating condition of that the hydraulic loading rate was 0.3~1.2 m/d. When the hydraulic loading rate increased to 1.5 m/d, the removal rates of TN decreased observably, but the removal rates of TP and turbidity sustained the same performance on the whole. TP and TN in the wetland effluent have linear relation to their area loading rates. Most TP, TN and turbidity of rainwater were removed in the initial 1/2 of the wetland bed. After being treated by the wetland, TP and TN of the rainwater in tank could meet the China national standards of Grade Ⅱ and Grade Ⅲ defined in Environmental quality standards for surface water (GB 3838－2002), respectively.
Key words： subsurface constructed wetland；rainwater；nitrogen；phosphorus 1 前言
為了解決水資源短缺的問題，雨水作為一種水資源愈來愈受到人們重視。城市雨水的收集、利用不僅可以解決城市小區部分用水問題（如：處理后的雨水可以用于城市景觀水體、綠化、洗車、噴灑道路、消防以及沖廁）；而且可以起到蓄洪的作用，以減少暴雨時城市的排洪量。由于雨水在時空分布上具有很大的不均勻性,大量的雨水往往集中在為期較短的雨季,為能充分利用雨水資源,應采取措施將收集的雨水進行合理貯存。
在城市中，通常可將收集的雨水就近儲存在大大小小的蓄水構筑物中，如：湖泊洼地、河道、池塘、人工景觀水體等，以供使用。由于雨水中含有較高濃度的污染物（如COD、SS 、N、P等）,再加上大多數雨水儲存構筑物內水體的循環流動性較差，因此水質惡化和由水體富營養化引起的水華現象普遍存在，在嚴重的情況下還會出現雨水惡臭現象，喪失可利用的價值，反而成為新的污染源。因此研究和開發雨水水質凈化和保持技術成為了雨水資源化的重要課題。
人工濕地是近些年來研究和應用較多的一項水環境生態修復技術。由于人工濕地對污染物的去除負荷較小，因此往往需要較大的占地面積，這就限制了其在城市水環境污染修復方面的應用。為此本文提出采用新型人工濕地對城區收集雨水的水質進行凈化和保持的新方法。首先將雨水儲存構筑物周圍的綠化帶改建為潛力式人工濕地，即在綠化帶地面以下建設潛流式人工濕地，在地表種植具有較強除污能力和良好景觀效果的植物。將蓄水構筑物中的雨水定期泵入人工濕地進行處理，處理后水自流回蓄水構筑物。
這種技術的特點是：將濕地和綠化帶合二為一，既能夠充分發揮人工濕地處理效果好、運轉維護方便、工程基建和運行費用低等的優點，又能夠避免濕地占用城市內有限的土地資源。另外這種新型人工濕地可以完全根據周圍建筑區環境的特點進行設計和建設，不僅不會改變建筑區的整體布局，還會帶來良好的景觀效果。
本文主要研究了潛力式人工濕地對城區收集雨水中污染物的去除效果和規律。 2 實驗材料和方法
2.1實驗系統
本研究為清華大學節能示范樓項目的一部分，實驗系統建于示范樓旁邊。該系統于2005年4月底建成，5月初開始正式運行。
實驗系統由雨水儲存水池和潛流式人工濕地組成，平面布置如圖1所示。雨水來自實驗系統旁邊的一座建筑物的屋頂，屋頂鋪設水泥磚保護層。屋面雨水經雨水管直接流入儲存池。儲存池中的雨水由水泵送至濕地進行處理，經過濕地處理后的水自流入儲存池。  雨水儲存池的面積為32.9m2，長×寬為9.4m×3.5m，有效深度為1.0m。人工濕地的面積為32.9m2，長×寬為9.4m×3.5m，平均深度為0.65m。濕地填料層厚度為0.5m，表層土層厚0.1m。
濕地種植的植物為景觀效果較好的水柳、鳶尾和美人蕉，種植比例為：水柳55％、鳶尾40％和美人蕉5%，采取間種的方式種植植物，種植密度為8株/m2。 2.2實驗用水
由于北京地區的降雨主要集中在7～9月，為了保證研究能夠的進行，在5月和6月里，以自來水為水池的水源，進入雨期后（7月份后）再以雨水作為水池的水源。
由于降雨的時間、雨量、雨水中污染物的濃度等因素具有不確定性，不利于進行系統的研究。為此，本實驗采取定期向水池中投加一定量N和P的方式來模擬實際雨水中N和P的濃度。相關資料報道的雨水中TP和TN的濃度范圍分別為0.1～0.9mg/L和1～12mg/L [1~4]。因此將配水中TP和TN的濃度分別控制在0.5~1.2mg/L和10～15mg/L之間，在TN中NH4+-N和NO3--N各占50％。
2.3水質監測指標和方法
實驗過程中，分析的指標包括TP、TN、NH4+-N、NO3--N、濁度和藻類等。其中TP、TN、NH4+-N和NO3--N等采用標準方法進行測定[5]；濁度采用數顯濁度儀測定。藻類計數用計數框測定。 3實驗結果與討論
3.1人工濕地對雨水的凈化效果
經過大約50天的啟動運行，濕地對各項污染物的去除效果趨于穩定，且植物也長到了30~50cm，形成了一定的景觀效果，濕地進入了成熟階段。表1匯總了進入成熟階段后人工濕地對雨水水質的凈化效果。由表1可知：
（1）對COD的去除
蓄水池水（即進水）中的COD很低，在2.4～16.6mg/L之間，主要是因為實驗用雨水直接從房頂收集，未流經路面，因此受到的污染較少；另外收集雨水的房頂鋪設材料為水泥和磚，不會向外溶出的有機物。當水力負荷為0.6～1.2m/d時，出水COD為1.9～5.2mg/L之間，去除率為18.4～80％。當水力負荷為1.5m/d時，COD的去除率出現了負值。初步分析，這可能是由于水力負荷過大，水流將濕地中積累的有機物帶出造成的。
（2）對TP的去除
當進水TP濃度為0.05～0.72mg/L時，出水TP在0.03～0.42mg/L之間，TP去除率在13～66％之間，大部分情況下去除率集中在20～50％之間，說明濕地對TP的去除效果較差。另外，當水力負荷由0.3m/d增加到1.5m/d時，濕地對TP的去除率并沒有出現下降的現象，表明水力負荷對TP的去除效果沒有明顯的影響。
（3）對N的去除
本實驗從NH4+-N、NO3--N和TN三個指標研究了人工濕地對雨水中N的去除效果和規律。由表1可知，濕地對NH4+-N的去除效果較差，進水NH4+-N濃度為0.04~7.36mg/L之間，出水濃度在0.03~6.12mg/L之間，且在大多情況下，出水NH4+-N濃度高于進水的濃度，NH4+-N去除率表現為負值。初步分析造成這一結果的原因為：濕地中截留一些的物質（如蓄水池中滋生的藻類等）腐爛以后會釋放出NH4+-N，而釋放出NH4+-N的數量大于硝化菌去除和植物吸收數量的總和，因此造成出水NH4+-N濃度大于進水NH4+-N濃度。
由表1可知，當進水NO3--N在0.65～32.7mg/L之間變化時，出水NO3--N為0.08～15.8mg/L，去除率為16.5～97.5％，表明濕地對NO3--N的去除效果波動較大。對照水力負荷可以發現，當水力負荷為0.3～0.9m/d時，NO3--N去除率維持在51.7～97.5％之間；當水力負荷由0.9m/d增加到1.5m/d時，NO3--N的去除率卻從51.7～97.5％逐漸下降到16.5～44.2％，這表明濕地對NO3--N的去除效果與水力負荷有較大的關系。 表1 不同水力負荷條件下人工濕地對雨水的凈化效果 水力負荷(m/d) | 0.3 | 0.6 | 0.9 | 1.2 | 1.5 | COD | 進水(mg/L) | / | 9.6-16.6 | 2.4~11.8 | 5.9~7.4 | 7.8~13 | 出水(mg/L) | / | 2.2~5.2 | 1.94~4.36 | 2.2~3.3 | 10.4~20.3 | 去除率(%) | / | 68.4~80 | 18.4~70 | 43.8~70 | -20~ -60 | TP | 進水(mg/L) | 0.24~0.43 | 0.15~0.72 | 0.05~0.25 | 0.24~0.54 | 0.05~0.12 | 出水(mg/L) | 0.17~0.24 | 0.13~0.42 | 0.03~0.13 | 0.12~0.31 | 0.03~0.09 | 去除率(%) | 29.1~44.2 | 13.3~42 | 29.4~59.5 | 13~66 | 25~40 | NH4+-N | 進水(mg/L) | 0.21~0.34 | 0.72~7.36 | 0.09~7.23 | 0.09~2.14 | 0.04~3.2 | 出水(mg/L) | 1.88~1.54 | 1.26~5.09 | 0.49~6.12 | 0.15~1.85 | 0.03~2.41 | 去除率(%) | -498.2~-357 | -341.2~41.7 | -410-20.5 | -66.6～14.8 | 5.9～42.9 | NO3--N | 進水(mg/L) | 0.65~3.26 | 1.42~19.35 | 1.8~32.7 | 0.77~12.7 | 0.89~17.76 | 出水(mg/L) | 0.08~0.29 | 0.28~3.10 | 0.24~15.8 | 0.11~8.15 | 0.7~13.6 | 去除率(%) | 65~97.5 | 73.6~96 | 51.7~88.1 | 62.4~75.7 | 16.5~44.2 | TN | 進水(mg/L) | 2.69~3.49 | 2.25~27.11 | 2.58~40.7 | 0.88~15.09 | 1.12~21.19 | 出水(mg/L) | 1.42~1.63 | 1.67~7.99 | 1.66~23.4 | 0.28~10.28 | 0.90~16.31 | 去除率(%) | 44.8~53.2 | 25.5~70.5 | 35.7~54 | 22~67.9 | 16~38.5 | 濁度 | 進水(NTU) | 24.4~33.1 | 10.1~15.5 | 10.2~12.8 | 6.3~13.7 | 4.2~10.1 | 出水(NTU) | 1.1~2.1 | 0.57~1.83 | 1.09~1.92 | 1.02~2.71 | 0.62~1.07 | 去除率(%) | 91.4~96.7 | 87.5~95.7 | 84.6~91.4 | 80.2~85.4 | 85.3~91.2 |
 濕地對TN的去除效果和規律與NO3--N的相似。當進水TN濃度在0.16～40.7mg/L之間變化，濕地出水TN在0.26～23.4mg/L之間，TN的去除率為16～70.5％。當水力負荷為0.3～1.2m/d時，TN去除率在25.5～70.5％之間，大部分情況下去除率集中在30~55％之間；當水力負荷由1.2m/d增加到1.5m/d時，NO3--N的去除率卻從25.5～70.5%下降到16～38.5%。
（4）對濁度的去除
當進水濁度為4.2～33.1NTU時，出水濁度為0.57～2.71NTU，去除率為80.2～96.7％，這表明景觀型濕地對濁度有很好的去除效果。另外，當水力負荷由0.3m/d增加到1.5m/d時，濕地對濁度的去除率基本上保持著同樣的水平，這表明水力負荷對濁度的去除效果沒有明顯的影響。 3.2負荷關系
本研究比較了潛流式人工濕地TN和TP的面積負荷與各自出水濃度之間的關系，結果如圖2所示。
由圖2可知，濕地出水中TP和TN的濃度隨相應面積負荷的增加而升高，通過回歸分析發現它們之間分別存在如下線性關系：TP=2.03NTP-0.02，R2＝0.66；TN=0.5NTN+0.91，R2＝0.93。式中：NTP和NTN分別表示濕地承受的TP和TN的面積負荷，單位均為g/m2·d；TP和TN的單位為mg/L。TN和NTN之間的線性相關性好于TP和NTP之間的線性相關性。面積負荷與出水濃度之間的這種相關關系為人工濕地的設計提供了依據。例如：要使濕地出水中TP和TN的濃度分別小于0.2mg/L和1.5mg/L，則選取的相應濕地面積負荷就應該小于0.11gTP/m2·d和1.2gTN/m2·d。再跟據每天進入人工水體中TP和TN的數量以及所選取的面積負荷即可計算出需要多少面積的濕地。
3.3污染物在濕地沿程中的變化規律
本研究比較了TP、TN和濁度在濕地沿程中的變化情況，結果如圖3所示。其中在考察TN的沿程變化規律時，濕地的水力負荷為0.6m/d；考察TP和濁度的沿程變化規律時，濕地的水力負荷為0.3m/d。
由圖3可知，當TP、TN和濁度的進水濃度分別為0.57mg/L、11.3mg/L和33.5NTU時，出水分別為0.31mg/L、4.9mg/L和1.1NTU，去除率分別為45.6％、56.6％和96.7％。在濕地床的前二分之一段里，污染物的去除效果較為明顯，TN、TP和濁度的去除量分別占整個系統去除量的85.3％、96.8％和96.6％。而在后二分之一段里，隨著距離的增加污染物濃度僅略有降低。這一結果說明景觀型濕地對TP、TN和濁度的去除主要是在前二分之一段的濕地床中完成的。
3.4蓄水池內水質的改善效果
為了考察人工濕地是否能長期將蓄水池內的水質保持在一個較好的水平，本部分研究安排了如下的對比試驗：  試驗一：停止濕地運行，在蓄水池內蓄集雨水并控制水位約為0.5m。蓄水池內雨水的水質情況如下：TP＝0.25mg/L、TN＝5.3mg/L、氨氮＝1.6mg/L、COD＝10.9 mg/L、濁度＝10.1NTU，水溫大約在28～33℃。經過大約5天時間，蓄水池內爆發了嚴重的水華，水體呈墨綠色，較為混濁，且有輕微的腥味散出。水中藻類的數量為32.2×107個/L，濁度為 26.2NTU，透視深度不足0.2m。
試驗二：將水力負荷控制在1.5m/d，采用景觀型濕地對蓄水池中已經惡化的水進行處理。經過3天的處理，蓄水池中的藻類的數量減小到1.75×107個/L，濁度下降到7.4NTU，沒有腥味散出，水體清澈見底。經過7天的處理后，TP＝0.08 mg/L、TN＝1.23mg/L，COD＝11.8 mg/L、濁度＝4.2 NTU。其中TP達到了地表水二類水體的水質要求，TN達到地表是三類水體的要求[6]。 實驗結果表明，景觀型濕地可以有效改善雨水蓄水池中的水質，并能夠將雨水蓄集池中水的水質保持在較好的水平，可以滿足多種雨水利用的需要。 4 結論
（1）當水力負荷在0.3～1.2m/d之間時，人工濕地對TP、TN和濁度的去除效果分別維持在20～50％、30～55％和80～95％之間；當水力負荷大于1.2m/d時，TN的去除效果明顯下降，但TP和濁度的去除效果基本不變。
（2）人工濕地出水中TP和TN的濃度隨相應面積負荷的增加而升高，它們之間存在線性關系。
（3）人工濕地對TP、TN和濁度的去除主要是在前二分之一段的濕地床中完成的。
（4）人工濕地可以有效改善雨水蓄水池中的水質，使其滿足多種雨水利用的需要。 參考文獻
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